Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Querschnittsbildern mit einem nach dem Impulsechoverfahren arbeitenden Ultraschall-Bildgerät, das eine Wandlereinrichtung enthält, die aus einer festen länglichen Reihe aus aneinander angrenzenden Wandlerelementen besteht, und die mindestens auf einer Seite aneinander angrenzende querverlaufende Elektrodensegmente besitzt, bei welchem Verfahren nacheinander zyklisch ausgewählte Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung dazu dienen, ein Ultraschall-Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige elektrische Sendesignale zu erzeugen, die an den Elektrodensegmenten angelegt werden, das Ultraschall-Strahlenbündel in einen heterogenen Körper zu übertragen, Echos aufzunehmen, die von einer Diskontinuität im Körper reflektiert werden,
und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos zu erzeugen, sowie ein Ultraschall-Bildgerät zur Durchführung des Verfahrens.
Für die Erzeugung von Ultraschall-Abbildungen (insbesondere für die Erzeugung von Querschnittsbildern) wird im allgemeinen ein Ultraschallwandler mechanisch bewegt. Dies hat verschiedene Nachteile. Wird der Wandler von Hand bewegt, so ist die Abtastung langsam und vom Geschick der Bedienungsperson abhängig. Wird der Wandler durch einen Motor bewegt, so ist im allgemeinen ein Wasserbad notwendig, das relativ schwer ist. Die zusätzliche Wegstrecke durch das Wasserbad führt zudem zu einer Reduktion der maximal möglichen Bildfrequenz.
Um diese Nachteile zu beheben wurden daher Ultraschall-Bildgeräte mit elektronischer Abtastung entwickelt, bei denen der Ultraschallstrahl mit der Zeit linear verschoben wird.
Es ist ein Ultraschall-Bildgerät der eingangs beschriebenen Art bekannt (amerikanische Patentschrift Nr. 3 881 466), bei dem die Wandlereinrichtung ein unfokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel erzeugt und bei dem die Querauflösung durch die Breite der Wandlerelemente festgelegt wird.
Eine Verbesserung der Querauflösung des bekannten Geräts durch Verkleinerung der Breite der Wandlerelemente kann nur bis zu einer bestimmten Grenze erzielt werden, die durch die minimale Breite des Ultraschallstrahls gegeben ist. Obwohl die mit dem bekannten Gerät erzeugten Querschnittbilder relativ deutlich sind, hat sich in der Praxis gezeigt, dass für manche-Anwendungen noch höhere Werte der Querauflösung wünschenswert sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein Ultraschall-Bildgerät anzugeben, mit denen eine höhere Querauflösung erzielt werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokussierung des mit jeder Wandlergruppe (21) erzeugten Ultraschall-Strahlenbündels (23) die den Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen angelegten Sendesignale (41, 42) und/oder die von den Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen abgegebenen Echosignale (142) gegeneinander zeitlich verschoben werden, wobei jedem Sende- bzw. Echosignal eine zeitliche Verschiebung zugeordnet wird, die durch eine Funktion des Abstandes des entsprechen.
den Elektrodensegments oder Segmentuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Ultraschall-Bildgerät zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welches Gerät einen Taktgeber zur Erzeugung eines impulsartigen elektrischen Taktsignals, eine Wandlereinrichtung, die aus einer festen länglichen Reihe aneinander angrenzender Wandler- elemente besteht, welche Wandlereinrichtung mindestens auf einer Seite aneinander angrenzende querverlaufende Elektrodensegmente besitzt und welche Wandlereinrichtung dazu dient, ein Ultraschall-Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige, vom elektrischen Taktsignal abgeleitete Sendesignale zu erzeugen, das Ultraschall-Strahlenbündel in einen heterogenen Körper zu übertragen, Echos aufzunehmen, die von einer Diskontinuität im Körper reflektiert werden, und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos zu erzeugen;
und eine mit dem Taktgeber, mit der Wandlereinrichtung und mit einer Anzeigeeinrichtung verbundene Elementzähler-Auswahleinrichtung enthält, welche dazu dient, Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung nacheinander zyklisch auszuwählen, zur Erzeugung des Ultraschall-Strahlenbündels die Sendesignale an den Elektrodensegmenten der jeweils ausgewählten Gruppe anzulegen, und die mit dieser Gruppe erzeugten Echosignale an die Anzeigeeinrichtung zu übertragen, welche dazu dient, die Echosignale in ein sichtbares Bild umzuwandeln, das die Querschnittsstruktur des herterogenen Körpers wiedergibt.
Das erfindungsgemässe Ultraschall-Bildgerät ist gekennzeichnet durch einen zwischen dem Taktgeber und der Elementzähler Auswahleinrichtung eingeschalteten Sendesignalgenerator, der dazu dient, aus dem vom Taktgeber abgegebenen Taktsignal gegeneinander zeitlich verschobene Sendesignale für die Elektrodensegmente oder Segmentuntergruppen der jeweils ausgewählten Wandlergruppe abzuleiten, und/oder einen zwischen der Elementzähler-Auswahleinrichtung und der Anzeigeeinrichtung eingeschalteten Echosignalempfänger, der dazu dient, die von den Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen der Wandlergruppe abgegebenen Echosignale gegeneinander zeitlich zu verschieben.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Wandlereinrichtung des vorstehend erwähnten Ultraschall-Bildgerätes gemäss dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt die im Querschnitt schematisch dargestellte Form der Strahlungscharakteristik 23 einer erfindungsgemässen Wandlergruppe im Vergleich zur Strahlungscharakteristik 22 einer Wandlergruppe der Wandlereinrichtung gemäss Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Wandleranordnung 38 der Wandlereinrichtung 11 in Fig. 1;
Fig. 4 zeigt eine Rückansicht einer erfindungsgemässen Wandlergruppe 21 mit 4 Wandlerelementen;
Fig. 5 zeigt Diagramme der Sendesignale 41, 42, die erfindungsgemäss den Elektrodensegmenten 31-34 der Wandlergruppe 21 in Fig. 3 angelegt werden;
;
Fig. 6 zeigt schematisch, anhand eines parallel zur QS Ebene in Fig. 1 liegenden Querschnitts, eine zur schwachen Fokussierung des Ultraschall-Strahlenbündels in Q-Richtung geeignete Form der Abstrahlfläche 37 der Wandleranordnung 38 gemäss Fig. 3;
Fig. 7 zeigt eine Rückansicht einer Ausführungsform der Wandleranordnung 38 gemäss Fig. 3, mit welcher Ausführungsform die mit der konkaven Abstrahlfläche gemäss Fig.
6 erreichte schwache Fokussierung in Q-Richtung mit einer flachen Abstrahlfläche erzielt wird; Fig. 8a, 8b, 8c zeigen eine vorteilhafte Gestaltung von
Wandlergruppen 71, 72, 73, die zyklisch nacheinander ausgewählt werden;
Fig. 9a zeigt eine Rückansicht einer erfindungsgemässen Wandlergruppe 91, die 7 Elektrodensegmente enthält und in einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Ultraschall-Bildgerätes verwendet wird.
Fig. 9b zeigt im Querschnitt die Form. der Abstrahlfläche der Wandlergruppe 91 gemäss Fig. 9a;
Fig. 10 zeigt Diagramme der Sendesignale, die erfindungsgemäss den Elektrodensegmenten 92-98 der Wandlergruppe 91 gemäss Fig. 9a angelegt werden;
Fig. 11a zeigt eine Rückansicht einer Wandlergruppe mit 7 Elektrodensegmenten, die in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Ultraschall-Bildgerätes verwendet wird;
Fig. 11b zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Form der Abstrahlfläche der Wandlergruppe gemäss Fig. 11a;
Fig. 12 zeigt Diagramme der Sendesignale, die erfindungsgemäss den Elektrodensegmenten 112-118 der Wandlergruppe 111 gemäss Fig. 11a angelegt werden;
Fig. 13 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Ultraschall-Bildgerätes;
;
Fig. 14 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Sendesignalgenerators 133 im Gerät nach Fig. 13;
Fig. 15 zeigt Diagramme des vom Taktgeber 131 (Fig.
13) erzeugten Taktimpuls 132 und der gepulsten Sinuswelle
162, die vom Taktimpuls abgeleitet wird;
Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Echosignal-Empfängers 143 im Gerät nach Fig. 131;
Fig. 17 zeigt das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform der Elementauswahlantriebsschalter 138 im Gerät nach Fig. 13. Der Übersicht halber wird hiermit dieses Prinzip für eine Wandlergruppe mit nur 4 Elementen erläutert, obwohl das Gerät nach Fig. 13 Wandlergruppen mit je 7 Elementen verwendet;
Fig. 18 und 19 dienen zur Erläuterung der Bemessung einer erfindungsgemässen Wandlergruppe und ihrer Elemente.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht die Wandlereinrichtung 11 des bekannten Ultraschall-Bildgeräts (amerikanische Patentschrift Nr. 3 881 466) aus einer festen länglichen Reihe aus aneinander angrenzenden Wandlerelementen 12. Die Wandlerelemente dieser bekannten Wandlereinrichtung werden in aufeinanderfolgende Gruppen von A zueinander benachbarten Wandlerelementen aufeinanderfolgend zu Impulsen angeregt. Jede der aufeinanderfolgenden Gruppen von A-Elementen ist in Längsrichtung um B-Elemente von dem Ort der unmittelbar vorhergehenden Gruppe verschoben. Die Verschiebung des Ultraschall-Strahlenbündels 13 erfolgt in Richtung des Pfeils L, wie dies von der Reihe der strichlierten Rechtecke 14 wiedergegeben wird, welche die momentane zeitliche Lage des Strahlenbündels 13 nach gleichen Zeitintervallen geben.
Es sei darauf hingewiesen, dass jede Wandlergruppe der bekannten Wandlereinrichtung 11 ein unfokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel 13 erzeugt, da sämtliche A-Elemente der Wandlergruppe gleichzeitig zur Impulsabgabe angeregt werden. Die unfokussierte Strahlungscharakteristik 22 des Ultraschall-Strahlenbündels 13 in Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 1 wird ein orthogonales Koordinatensystem durch
3 Pfeile Q, L und S definiert. Der Pfeil L liegt entlang der Längsachse der Abstrahlfläche der Wandlereinrichtung 11.
Der Pfeil S liegt parallel zur Hauptachse des Ultraschall Strahlenbündels 13. Der Pfeil Q liegt senkrecht zu der durch die Pfeile L und S definierten Ebene. Die Lage der in den beiliegenden Figuren dargestellten Querschnitte und Ansichten wird anhand dieses Koordinatensystems definiert.
Fig. 3 zeigt in einem Teilquerschnitt den Aufbau einer bevorzugten Wandleranordnung 38 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Die Wandleranordnung besteht aus einer ganzen Elektrode 36, die geerdet ist und deren eine Fläche 37 als Abstrahlfläche verwendet wird, einer piezoelektrischen Schicht 35 und aus Elektrodensegmenten 31-34, deren Rückansicht in Fig. 4 gezeigt wird.
Es geht aus der vorangehenden Erläuterung der Wandleranordnung 38 hervor, dass die erfindungsgemässen Wandlerelemente gemeinsame Teile, wie die piezoelektrische Schicht 38 oder die ganze Elektrode 36, besitzen können. Zum erfindungsgemässen Betrieb der Wandleranordnung 38 genügt es, dass sie einseitig Elektrodensegmente besitzt, an denen die zeitlich verschobenen Sendesignale angelegt und aus denen Echosignale entnommen werden können. Jedes Elektrodensegment definiert also ein erfindungsgemässes Wandlerelement.
Die mit der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung, das heisst die Erzielung einer höheren Querauflösung, wird hauptsächlich durch eine neue Funktionsweise der Wandlereinrichtung erzielt. Diese wird zunächst anhand der Fig. 2, 4 und 5 näher erläutert.
Fig. 4 zeigt Elektrodensegmente 31-34 einer erfindungsgemässen Wandlergruppe 21. Zur Erzeugung eines erfindungsgemässen Ultraschall-Strahlenbündels werden an den Elektrodensegmenten 31-34 die in Fig. 5 gezeigten, gegeneinander zeitlich verschobenen Sendesignale 41, 42 angelegt, wobei die Sendesignale für die äusseren Elektrodensegmente 31, 34 der Wandlergruppe in der Phase voreilen. Dadurch wird ein schwach fokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel 23 (Fig. 2) erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nicht nur die Sendesignale, sondern auch die mit den einzelnen Wandlerelementen der Wandlergruppe empfangenen Echosignale gegeneinander zeitlich verschoben. Die in Fig. 4 gezeigte Wandlergruppe 21 sendet und empfängt mit 4 Elementen, wobei die Sendesignale bzw. die zeitlich verschobenen Echosignale der äusseren Elemente um 900 in der Phase voreilen. Diese Phasenvoreilung ist erfindungsgemäss in bezug auf eine Periode (3600) des hochfrequenten Trägersignals (z. B. 2 MHz) definiert, die in Impulsen mit einer Folgefrequenz von z. B. 2 KHz und mit einem geeigneten Phasenwinkel den Elektrodensegmenten der aufeinanderfolgenden Wandlergruppen zugeführt wird.
Die mit diesem erfindungsgemässen Betrieb der Wandlergruppe 21 erzielte Wirkung kann durch folgende zusätzliche Massnahmen verbessert werden:
1. Es hat sich als günstig erwiesen, für die äusseren Elemente der Wandlergruppe folgende Kombinationen der Phasenvoreilung zu wählen:
Sendesignale Echosignale entweder ca. 900 ca. 450 oder ca. 450 ca. 900
Durch diese verschiedenen Werte der Phasenvoreilung für die Sende- und Echosignale wird die erfindungsgemässe Strahlungscharakteristik 23 (Fig. 2) über eine gewisse Tiefe noch schmäler.
2. Es ist vorteilhaft, eine Gewichtung der Sende- bzw. der Echosignale vorzunehmen. Wie in Fig. 5 gezeigt, werden dabei die inneren Elektrodensegmente 32, 33 mit dem Sendesignal der grösseren Amplitude ao angeregt. Ähnlicherweise werden beim Empfang die von den inneren Elektrodensegmente abgegebenen Echosignale mit einem grösseren Gewich tungsfaktor multipliziert als die von den äusseren Elementen abgegebenen Echosignale. Bei dieser Gewichtung hat sich ein Verhältnis von 2:1 sowohl für die Sendesignale wie für die Echosignale als günstig erwiesen.
3. Es ist ebenfalls vorteilhaft auch in der Q-Richtung in Fig. 1 schwach zu fokussieren, z. B. indem eine Wandleranordnung mit einer schwach gekrümmten Abstrahlfläche 37 (s. Fig. 6) verwendet wird.
Die schwache Fokussierung in der Q-Richtung kann auch elektronisch erreicht werden. Dazu wird eine Wandleranordnung wie in Fig. 7 verwendet, bei der jedes der Elektrodensegmente in Q-Richtung in 3 Segmententeile a, b und unterteilt ist. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, werden nur die schraffierten Teile der Elektrodensegmente zum Senden bzw.
zum Empfang verwendet. Dabei werden die inneren Segment teile 32b, 33b mit dem Sendesignal 41 und die übrigen aktiven Segmentteile mit dem Sendesignal 42 angeregt. Diese Lösung ist elektronisch aufwendiger als eine Wandlereinrichtun mit gekrümmter Abstrahlfläche, erfordert jedoch nur eine Wandleranordnung mit einer flachen Abstrahlfläche, die billiger ist.
Bei der bekannten Wandlereinrichtung 11 gemäss Fig. 1 kann das Ultraschall-Strahlenbündel 13 nach jeder Sende Empfang-Periode um die Breite eines Wandlerelementes 12 verschoben werden. Die Linienzahl im Bild und die Auflösung könnten jedoch erhöht werden, wenn das Ultraschall Strahlenbündel jeweils um weniger verschoben würde, z. B.
eine halbe Elementbreite. Dies kann natürlich durch Halbierung der Elementbreite erreicht werden. Diese Lösung führt aber zur doppelten Zahl von Elementen und entsprechend grösserer Komplexität.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Fig. 8a, 8b und 8c)' > wird die Verschiebung des Ultraschall-Strahlenbündels um eine halbe Elementbreite dadurch erreicht, dass nacheinander ausgewählte Wandlergruppen 71, 72, 73 abwechselnd eine gerade und eine ungerade Anzahl Wandlerelemente enthalten, wobei die aufeinanderfolgenden Wandlergruppen abwechselnd durch Verringerung der Anzahl Elektrodensegmente in einer Richtung und durch Erhöhung der Anzahl Elektrodensegmente in der entgegenge setzten Richtung gebildet werden. Die Amplituden und Phasen der Sendesignale bzw. der zeitlich verschobenen Echosignale werden so gewählt, dass unabhängig von der Anzahl Elemente der Wandlergruppe die Form des Ultraschall Strahlenbündels möglichst gleich bleibt. Die folgenden Kombinationen von Amplituden und Phasen ergeben z.
B. bei der abwechselnden Verwendung von 4 und 3 Elementen eine sehr ähnliche Strahlform: Mit 4 Elementen:
EMI3.1
<tb> <SEP> Element <SEP> 31 <SEP> 32 <SEP> 33 <SEP> 34
<tb> <SEP> Amplitude <SEP> 0,5 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> <SEP> 0,5
<tb> Senden <SEP> Phase <SEP> <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP> 00 <SEP> 900
<tb> <SEP> Amplitude <SEP> 0,5 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0,5
<tb> Empfang <SEP> Phase <SEP> 450 <SEP> t <SEP> <SEP> 00 <SEP> 450
<tb> Mit 3 Elementen:
:
EMI3.2
<tb> <SEP> Element <SEP> 32 <SEP> 33 <SEP> 34
<tb> <SEP> f <SEP> Amplitude <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Senden <SEP> Amplitude <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Phase <SEP> <SEP> Phase <SEP> <SEP> 450 <SEP> #0 <SEP> <SEP> 450
<tb> (Amplitude <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Empfang <SEP> \Phase <SEP> 22,50 <SEP> 00 <SEP> 22,50
<tb>
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird zunächst anhand der Fig. 9a, 9b und 10 beschrieben. Es ist bekannt (schweizerische Patentschrift Nr. 543 313), dass eine gute Bündelung des Ultraschall-Strahls über eine grosse Tiefe erreicht wird, indem eine Ultraschallwelle mit einer kegelförmigen Wellenfront ausgestrahlt wird. Eine solche Wellenfront wird z. B. von einem kegelförmigen Ultraschallwandler abgestrahlt.
Eine kegelförmige Abstrahlfläche kann erfindungsgemäss approximiert werden, indem man für die Sendesignale 101-104 in Fig. 9a für die zeitlich verschobenen Echosignale 202-208 (Fig. 16) eine lineare Zunahme des Phasenwinkels < p mit der Entfernung der Wandlerelemente 92-98 von der Mitte der Wandlergruppe vorsieht. Fig. 10 zeigt diese lineare Zunahme des Phasenwinkels n Mit der in Fig. 9b anhand eines Querschnitts gezeigten Formgebung der Abstrahlfläche 37 wird eine lineare Zunahme des Phasenwinkels der abgestrahlten Ultraschallwellen ebenfalls in der Q-Richtung erreicht.
Die gestrichelte Linie 107 in Fig. 9a stellt den Ort konstanter Phase auf der Abstrahlfläche der Wandlereinrichtung dar, wobei zur Vereinfachung eine Phase angenommen wurde, die sich kontinuierlich in der L-Richtung ändert und nicht schrittweise wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Während bei einer kegelförmigen Wellenfront der Ort konstanter Phase ein Kreis ist, handelt es sich hier um gerade Abschnitte 107.
Eine bessere Approximation einer kegelförmigen Wellenfront kann mit der anhand der Fig. 11a, 11b und 12 zunächst erläuterten Ausführungsform der Erfindung erzielt werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die Phasenabhängigkeit der Sendesignale bzw. der zeitlich verschobenen Echosignale von der Position der entsprechenden Wandlerelemente in der Mitte der Wandlergruppe quadratisch und am Rand linear.
Eine entsprechende Phasenabhängigkeit in der Q-Richtung wird mit der in Fig. 11b anhand eines Querschnitts der Wandleranordnung gezeigten Formgebung der Abstrahlfläche 34 erzielt. Die Hyperbel ist eine bevorzugte Kurve für die Linie 37 in Fig. 11b. Eine solche Kurve verläuft in mittlerem Bereich 127 kreisförmig, am Rand aber linear. Die mit die#ser Ausführungsform erzielte Verbesserung ist daraus ersichtlich, dass der in Fig. 11a gezeigte Ort konstanter Phase 106 abgerundete Ecken aufweist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die ausstrahlenden Wandlergruppen der Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 9a und 11a ein#e grössere Fläche als beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 haben. Durch diese grössere Fläche wird eine entsprechend grössere Öffnung erzielt, die nötig ist, um eine bessere Auflösung zu erreichen.
Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ist es auch bei den letztgenannten Ausführungsformen von Vorteil, dass der innere Teil der ausstrahlenden Wandlergruppe mit einer grösseren Amplitude sendet, bzw. dass beim Empfang die fort empfangenen Echosignale mit einem grösseren Gewichtskoeffizienten multipliziert werden. Dadurch wird das Nahfeld verbessert.
Die Bemessung der Wandlergruppen 21 und der Wandlerelemente 31-34 gemäss Fig. 4 zur Erzeugung eines schwach fokussierten Ultraschall-Strahlenbündels 23 gemäss Fig. 2 wird zunächst anhand der Fig. 18 und 19 erläutert.
Kennzeichnend für eine gute schwach fokussierende Wandlergruppe ist, dass ihre Breite w und Länge 1 15 bis 30 Wellenlängen betragen. Der Krümmungsradius R (Fig. 19) der Wellenfront wird ungefähr gleich der halben Tiefe des zu untersuchenden Körpers gewählt, vorzugsweise etwas kleiner.
Für eine Wandlergruppe mit 4 Wandlerelementen wird die Breite der individuellen Wandlerelemente so gewählt, dass der Phasenunterschied zwischen den von benachbarten Elementen ausgestrahlten Wellen nicht wesentlich mehr als 900 beträgt. Je mehr man diese Werte des Krümmungsradius und des Phasenunterschieds überschreitet, desto schlechter wird die Strahlform und damit auch die Querauflösung. Eine schwache Fokussierung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann jedoch, mindestens im Prinzip, mit einem zwischen 300 und 1800 liegenden Wert des Phasenunterschieds erreicht werden.
Die Bemessung der Wandlerelemente wird nun anhand eines konkreten Beispiels erläutert (s. Fig. 18 und 19). Wie in Fig. 18 dargestellt, senden die zwei inneren Elemente der Wandlergruppe mit der Phase 0 und die beiden äusseren Elemente mit der Phase 900. Aus Fig. 19 und dem Sehnensatz erhält man d12 = 2R- A ... (1) worin dz = die laterale Verschiebung, die zu der gewünschten
Phasenverschiebung von 900 führt, R = -der Krümmungsradius der Wellenfront, und A =die Distanz, die eine Phasenverschiebung von 900 entspricht.
EMI4.1
mit A = die Wellenlänge.
Wählt man nun R = 80 mm (annähernd die halbe Tiefe des untersuchten Körpers) und A = 0,75 mm (diese Wellenlänge entspricht einer Frequenz von 2 MHz) so erhält man dl = 5,48 mm. Wählt man die Elementbreite zu 4 mm, so hat die Mitte des äusseren Elementes den Abstand d2 = 6 mm von der Mitte der Wandlergruppe. Dieser Wert von d2 entspricht ungefähr der oben berechneten Distanz dl.
Fig. 13 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Ultraschall-Bildgerätes, welches zum Senden und Empfangen Wandlergruppen mit je 7 Wandlerelementen verwendet, wie in Fig. 11a dargestellt. Im Blockschaltbild gemäss Fig. 13 bedeuten 38 die Wandleranordnung gemäss Fig. 3, 131 einen Taktgeber, 132 ein vom Taktgeber 131 abgegebenes Taktsignal, 133 ein Sendesignalgenerator, 134 Sendesignale, die vom Sendesignalgenerator 133 über Leitungen 135 Elementauswahl-Antriebsschaltern 138 zugeführt werden, 136 einen mit dem Taktgeber 131 verbundenen Elementzähler und Decoder zur Steuerung der Elementauswahl-Antriebschalter 138, 142 Echosignale, die von einer Wandlergruppe aufgegeben werden, 143 einen Echosignalempfänger, 144 das kombinierte Echosignal am Ausgang des Echosignalempfängers, 145 einen zeitempfindlichen Verstärker, 146 einen Detektor, 147 einen Signalaufbereiter,
148 das Ausgangssignal des Signalaufbereiters 147, 151 einen X-Ablenkungsgenerator, 154 ein von diesem Generator abgegebenes Ablenk signal, 152 einen Y-Stufenfunktionsgenerator, 155 ein von diesem Generator abgegebenes Stufenfunktionssignal und 156 einen Wiedergabeoszillographen mit drei Eingängen X, YundZ.
Der Taktgeber 131 erzeugt periodische Taktimpulse 132, die das Senden eines Ultraschallsignales und die Erzeugung der nötigen Synchronisationssignale auslösen. Im Sendesignal-Generator 133 werden vier elektrische Sendeimpulse 121-124 (s. Fig. 14) erzeugt. Drei dieser Sendesignale 122, 123, 124 eilen vor, entsprechend einer Phase des Trägersignales von + 300 + 1000 und + 1800 gegenüber einem Signal 121, dessen Phase mit 0 bezeichnet wird. Diese Sende signale werden auf die Leitungen 134 gegeben. Im Block 138 (Elementauswahl-Antriebschalter) werden diese Sendesignale auf sieben Versorgungsleitungen gegeben, auf denen die
Sendesignale die Phasen + 1800, + 1000, + 300, 00, + 300, + 1000, + 1800 haben.
Der Elementzähler und Decoder
136 schaltet über die Elementauswahlantriebschalter 138 die gewünschten sieben Elemente ein, sowohl für Senden wie für Empfang. Nach jedem Puls wird die Konfiguration gemäss Fig. 11a um ein Element in L-Richtung verschoben. Gleichzeitig werden auf den Versorgungsleitungen die Sendesignale mit den verschiedenen Phasen zyklisch so vertauscht, dass jedes Element das entsprechende Sendesignal mit der korrekten Phase erhält. Die Echosignale 142 gelangen von den sieben eingeschalteten Elementen zum Echosignalempfänger 143.
Dort werden die Signale verschieden verzögert und mit verschiedenen Gewichtsfaktoren multipliziert und dann addiert.
Das Ausgangssignal 144 des Echosignalempfängers geht durch den zeitempfindlichen Verstärker 145, der die Dämpfung des Körpergewebes kompensiert. Darauf wird es im Detektor 146 gleichgerichtet und gelangt über den Signalaufbereiter 147 zum Z-Eingang des Wiedergabeoszillographen 156. Der Signalaufbereiter 147 komprimiert den dynamischen Bereich des vom Detektor 146 abgegebenen Signals.
Der X-Ablenkungsgenerator 151 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Zeit ist, die seit dem Senden des letzten Pulses verstrichen ist. Der Y-Stufenfunktionsgenerator 152 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Lage der Mittelachse der eingeschalteten Wandlergruppe ist.
Der Aufbau und die Wirkungsweise des Sendesignalgeneratoren 133 wird zunächst anhand der Fig. 14 und 15 erläutert. Der Taktimpuls 132 löst einen gepulsten Hochfrequenzgenerator 161 aus, dessen Ausgangssignal 162 (gepulstes Trägersignal) in der angezapften Verzögerungsleitung 163 so verzögert wird, dass man vier Signale mit den Phasen 00, 300, 100P und 1800 erhält. In Gewichtungseinheiten 164¯167 werden diese Signale mit den entsprechenden Gewichtungsfaktoren multipliziert.
Fig. 16 zeigt den Echosignalempfänger 143 im Detail. Die Echosignale 142 werden in Gewichtungseinheiten 171-177 mit den entsprechenden Gewichtsfaktoren multipliziert. Darauf werden sie mit Phasendrehgliedern 181-185 wie gezeigt, verzögert und nachher in einem Addierer 186 addiert.
Das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform der Ele mentauswahlantriebschafter 138 im Gerät nach Fig. 13 wird zunächst anhand der Fig. 17 erläutert. Der Übersicht halher wird hiermit dieses Prinzip für eine Wandlergruppe mit nur 4 Elementen erläutert, obwohl das. Gerät nach Fig. 13 Wandlergruppen mit je 7 Elementen verwendet. Das in dieser Figur gezeigte Schaltschema erlaubt es, eine Vierergruppe von Wandlerelementen anzusteuern und zu verschieben. Dabei werden jeweils die zwei inneren Elemente der Gruppe (z. B.
32 und 33 der Gruppe I) mit dem Sendesignal 41 gemäss Fig.
5 und die zwei äusseren Elemente (z. B. 31 und 34 der Gruppe I) mit dem Sendesignal 42 gemäss Fig. 5 angesteuert. In Fig. 17 sind die Wandlerelemente durch ihre entsprechenden Elektrodensegmente 31, 32, 33 usw. dargestellt. Die Wandlerelemente sind über eine Schalteranordnung 191 zyklisch an 4 Versorgungslinien 192-195 angeschlossen. Diese vier Versorgungslinien sind über eine Schalteranordnung 196 an zwei Versorgungslinien 197, 198 angeschlossen, an denen die Sendesignale 41, 42 mit den in Fig. 5 gezeigten Amplituden und Phasen liegen. In Fig. 17 sind Schalterstellungen für zwei aufeinanderfolgende Wandlergruppen I (durchgezogen) und II (gestrichelt) gezeigt. Die Steuerung der Schalteranordnung 191 bedarf keiner Erklärung. Zur Steuerung einer neuen Gruppe II nimmt bei der Schalteranordnung 196 jeder Schalter (z. B. 213) die Stellung ein, die der obere Schalter (z. B.
212) zur Steuerung der vorhergehenden Gruppe I hatte. Der oberste Schalter 211 übernimmt dabei die vorhergehende Stellung des untersten Schalters 214. Man kann dieselben Schalter für Senden und Empfang benutzen, falls die elektronische Ausführung der Schalteranordnungen dafür geeignet ist.
Falls man verschiedene elektronische Schalter für Senden und Empfang brauchen will, so kann die Schaltung gemäss Fig. 17 doppelt ausgeführt werden mit separaten Versorgungslinien für Senden und Empfang.
Die mit der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile können wie folgt erläutert werden:
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es möglich geworden, eine höhere Querauflösung zu erzielen, was die Erzeugung von deutlicheren Ultraschall-Abbildungen ermöglicht.
Das erfindungsgemässe Gerät stellt ausserdem eine wirtschaftliche Lösung dar, da es einen relativ geringen Aufwand erfordert.
Durch die erfindungsgemässe Gewichtung der Sendebzw. Echosignale werden die Nebenmaxima der Strahlungscharakteristik des mit einer erfindungsgemässen Wandlergruppe erzeugten Ultraschall-Strahlenbündel wesentlich verkleinert.
Mit der anhand der Fig. 9a-12 oben beschriebenen Aus führnngsformen der Erfindung werden ausserdem Ultraschall-Strahlenbündel erzeugt, die annähernd eine kegelförmige Wellenfront aufweisen. Dadurch wird eine starke Bündelung des Ultraschall-Strahlenbündels über eine grosse Tiefe erreicht.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Erzeugung von Querschnittsbildern mit einem nach dem Inapulsechoverfahren arbeitenden Ultraschall Bildgerät, das eine Wandlereinrichtung enthält, die aus einer festen länglichen Reihe aus aneinander angrenzenden Wandlerelementen besteht, und die mindestens auf einer Seite aneinander angrenzende querverlaufende Elektrodensegmente besitzt, bei welchem Verfahren nacheinander zyklisch ausgewählte Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung dazu dienen, ein Ultraschall Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige elektrische Sendesignale zu erzeugen, die an den Elektrodensegmenten angelegt werden, das Ultraschall-Strahlenbündel in einen heterogenen Körper zu übertragen, Echos aufzunehmen, die von einer Diskontinuität im Körper reflektiert werden,
und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokussierung des mit jeder Wandlergruppe (21) erzeugten Ultraschall-Strahlenbündels (23) die den Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen angelegten Sendesignale (41, 42) und/oder die von den Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen abgegebenen Echosignale (142) gegeneinander zeitlich verschoben werden, wobei jedem Sende- bzw. Echosignal eine zeitliche Verschiebung zugeordnet wird, die durch eine Funktion des Abstandes des entsprechenden Elektrodensegments oder Segmentuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe bestimmt wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass bei benachbarten Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen (33, 34) das Sendesignal (42) für das Segment oder die Segmentuntergruppe bzw. das zeitlich verschobene Echosignal von dem Segment (34) oder der Segmentuntergruppe, das/die von der Mitte der Wandlergruppe den grösseren Abstand hat, in der Phase voreilt.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung der Amplitude der Sendebzw. der Echosignale vorgenommen wird, wobei jedem Sendebzw. Echosignal eines Elektrodensegments oder einer Segmentuntergruppe ein Gewichtungsfaktor zugeordnet wird, der vom Abstand des Elektrodensegments oder Segmentuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe abhängt.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sende- und/oder Echosignalen zugeordnete zeitliche Verschiebung (nut) in bezug auf die Mitte der jeweils ausstrahlenden Wandlergruppe symmetrisch ist.
PATENTANSPRUCH II
Ultraschall-Bildgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, welches Gerät einen Taktgeber zur Erzeugung eines impulsartigen elektrischen Taktsignals, eine Wandlereinrichtung, die aus einer festen länglichen Reihe aneinander angrenzender Wandlerelemente besteht, welche Wandlereinrichtung mindestens auf einer Seite aneinander angrenzende querverlaufende Elektrodensegmente besitzt und welche Wandlereinrichtung dazu dient, ein Ultraschall-Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige, vom elektrischen Taktsignal abgeleitete Sendesignale zu erzeugen, das Ultraschall-Strahlenbündel in einen heterogenen Körper zu übertragen, Echos aufzunehmen, die von einer Diskontinuität im Körper reflektiert werden, und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos zu erzeugen;
und eine mit dem Taktgeber, mit der Wandlereinrichtung und mit einer Anzeigeeinrichtung verbundene Elementzähler-Aus wahleinrichtung enthält, welche dazu dient, Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung nacheinander zyklisch auszuwählen, zur Erzeugung des Ultraschall-Strahlenbündels die Sendesignale an den Elektrodensegmenten der jeweils ausgewählten Gruppen anzulegen, und die mit dieser Gruppe erzeugten Echosignale an die Anzeigeeinrichtung zu übertragen, welche dazu dient, die Echosignale in ein sichtbares Bild umzuwandeln, das die Querschnittsstruktur des heterogenen Körpers wiedergibt;
gekennzeichnet durch einen zwischen dem Taktgeber (131) und der Elementzähler-Auswahleinrichtung (136, 138) eingeschalteten Sendesignalgenerator (133), der dazu dient aus dem vom Taktgeber abgegebenen Taktsignal (132) gegeneinander zeitlich verschobene Sendesignale (121-124) für die Elektrodensegmente (112-118) oder Segmentuntergruppen der jeweils ausgewählten Wandlergruppe (111) abzuleiten, und/oder einen zwischen der Elementzähler-Auswahleinrichtung und der Anzeigeeinrichtung (156) eingeschalteten Echosignalempfänger (143), der dazu dient, die von den Elektrodensegmenten oder Segmentuntergruppen der Wandlergruppe abgegebenen Echosignale (142) gegeneinander zeitlich zu verschieben.
UNTERANSPRÜCHE
4. Gerät nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel ( < p) der Sende- bzw. der zeitlich verschobenen Echosignale durch eine Funktion des Abstandes des entsprechenden Elektrodensegments von der Mitte der Wandlergruppe so bestimmt ist, dass bei benachbarten Elek
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The invention relates to a method for generating cross-sectional images with an ultrasound imaging device which works according to the pulse echo method and which contains a transducer device which consists of a fixed, elongated row of transducer elements adjoining one another and which has transverse electrode segments adjoining one another on at least one side, in which Method one after the other cyclically selected groups of mutually adjacent transducer elements of the transducer device are used to generate an ultrasound beam in response to pulse-like electrical transmission signals that are applied to the electrode segments, to transmit the ultrasound beam into a heterogeneous body, to receive echoes from reflecting a discontinuity in the body,
and generate an electrical echo signal in response to the received echoes and an ultrasound imager for performing the method.
For the generation of ultrasound images (in particular for the generation of cross-sectional images), an ultrasound transducer is generally moved mechanically. This has several disadvantages. If the transducer is moved by hand, the scanning is slow and depends on the skill of the operator. When the transducer is moved by a motor, a water bath, which is relatively heavy, is generally necessary. The additional distance through the water bath also leads to a reduction in the maximum possible image frequency.
In order to overcome these disadvantages, therefore, ultrasonic imaging devices with electronic scanning in which the ultrasonic beam is shifted linearly with time have been developed.
An ultrasound imaging device of the type described at the outset is known (American patent specification No. 3 881 466) in which the transducer device generates an unfocused ultrasound beam and in which the transverse resolution is determined by the width of the transducer elements.
An improvement in the transverse resolution of the known device by reducing the width of the transducer elements can only be achieved up to a certain limit which is given by the minimum width of the ultrasonic beam. Although the cross-sectional images generated with the known device are relatively clear, it has been shown in practice that for some applications even higher values of the lateral resolution are desirable.
The invention is therefore based on the object of specifying a method or an ultrasound imaging device with which a higher transverse resolution can be achieved.
The method according to the invention is characterized in that, in order to focus the ultrasonic beam (23) generated by each transducer group (21), the transmission signals (41, 42) applied to the electrode segments or segment subsets and / or the echo signals (142) emitted by the electrode segments or segment subsets are shifted in time against each other, each transmission or echo signal being assigned a time shift which corresponds to a function of the distance.
the electrode segment or segment subgroup is determined by the center of the transducer group.
The invention also relates to an ultrasound imaging device for carrying out the method according to the invention, which device has a clock generator for generating a pulse-like electrical clock signal, a converter device which consists of a fixed elongated row of mutually adjacent converter elements, which converter device transversely adjoins at least one side Has electrode segments and which transducer device is used to generate an ultrasound beam in response to pulse-like transmission signals derived from the electrical clock signal, to transmit the ultrasound beam in a heterogeneous body, to pick up echoes that are reflected from a discontinuity in the body, and a generate an electrical echo signal in response to the received echoes;
and an element counter selection device connected to the clock generator, to the transducer device and to a display device, which serves to cyclically select groups of mutually adjacent transducer elements of the transducer device one after the other, to apply the transmission signals to the electrode segments of the respectively selected group in order to generate the ultrasonic beam , and to transmit the echo signals generated with this group to the display device, which serves to convert the echo signals into a visible image which reproduces the cross-sectional structure of the herterogenic body.
The ultrasound imaging device according to the invention is characterized by a transmission signal generator connected between the clock generator and the element counter selection device, which is used to derive transmission signals for the electrode segments or segment subsets of the respectively selected converter group that are shifted in time from the clock signal emitted by the clock generator, and / or one between the Element counter selection device and the display device switched on echo signal receiver, which serves to shift the echo signals emitted by the electrode segments or segment subgroups of the transducer group against each other in time.
Some exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings.
1 shows a perspective view of the transducer device of the above-mentioned ultrasonic imaging device according to the prior art;
FIG. 2 shows the shape, shown schematically in cross section, of the radiation characteristic 23 of a transducer group according to the invention in comparison to the radiation characteristic 22 of a transducer group of the transducer device according to FIG. 1;
FIG. 3 shows a schematic cross section of a preferred embodiment of the converter arrangement 38 of the converter device 11 in FIG. 1;
4 shows a rear view of a converter group 21 according to the invention with 4 converter elements;
FIG. 5 shows diagrams of the transmission signals 41, 42 which, according to the invention, are applied to the electrode segments 31-34 of the converter group 21 in FIG. 3;
;
FIG. 6 shows schematically, on the basis of a cross section lying parallel to the QS plane in FIG. 1, a shape of the emitting surface 37 of the transducer arrangement 38 according to FIG. 3 suitable for weakly focusing the ultrasonic beam in the Q direction;
FIG. 7 shows a rear view of an embodiment of the transducer arrangement 38 according to FIG. 3, with which embodiment the one with the concave radiating surface according to FIG.
6 achieved weak focus in the Q direction is achieved with a flat radiating surface; 8a, 8b, 8c show an advantageous design of
Converter groups 71, 72, 73 which are selected cyclically one after the other;
9a shows a rear view of a transducer group 91 according to the invention, which contains 7 electrode segments and is used in a second embodiment of the ultrasound imaging device according to the invention.
Fig. 9b shows the shape in cross section. the radiation surface of the transducer group 91 according to FIG. 9a;
FIG. 10 shows diagrams of the transmission signals which, according to the invention, are applied to the electrode segments 92-98 of the converter group 91 according to FIG. 9a;
11a shows a rear view of a transducer group with 7 electrode segments, which is used in a preferred embodiment of the ultrasonic imaging device according to the invention;
FIG. 11b shows, in cross section, a preferred shape of the radiation surface of the transducer group according to FIG. 11a;
FIG. 12 shows diagrams of the transmission signals which according to the invention are applied to the electrode segments 112-118 of the converter group 111 according to FIG. 11a;
13 shows a schematic block diagram for explaining a preferred embodiment of the ultrasonic imaging device according to the invention;
;
Fig. 14 is a block diagram showing the transmission signal generator 133 in the apparatus of Fig. 13;
Fig. 15 shows diagrams of the clock 131 (Fig.
13) generated clock pulse 132 and the pulsed sine wave
162 derived from the clock pulse;
Fig. 16 shows a block diagram for explaining the echo signal receiver 143 in the apparatus of Fig. 131;
FIG. 17 shows the principle of a preferred embodiment of the element selection drive switches 138 in the device according to FIG. 13. For the sake of clarity, this principle is hereby explained for a converter group with only 4 elements, although the device according to FIG. 13 uses converter groups with 7 elements each;
18 and 19 serve to explain the dimensioning of a transducer group according to the invention and its elements.
As shown in Fig. 1, the transducer device 11 of the known ultrasound imager (American Patent No. 3 881 466) consists of a fixed elongated row of adjoining transducer elements 12. The transducer elements of this known transducer device are divided into successive groups of A mutually adjacent transducer elements successively excited to pulses. Each of the successive groups of A elements is shifted longitudinally by B elements from the location of the immediately preceding group. The displacement of the ultrasound beam 13 takes place in the direction of the arrow L, as is shown by the row of dashed rectangles 14, which give the instantaneous temporal position of the beam 13 at equal time intervals.
It should be pointed out that each transducer group of the known transducer device 11 generates an unfocused ultrasound beam 13, since all A-elements of the transducer group are excited simultaneously to emit pulses. The unfocused radiation characteristic 22 of the ultrasonic beam 13 in FIG. 1 is shown in FIG.
In Fig. 1, an orthogonal coordinate system is through
3 arrows Q, L and S defined. The arrow L lies along the longitudinal axis of the radiating surface of the transducer device 11.
The arrow S lies parallel to the main axis of the ultrasound beam 13. The arrow Q lies perpendicular to the plane defined by the arrows L and S. The position of the cross-sections and views shown in the accompanying figures is defined on the basis of this coordinate system.
3 shows, in a partial cross-section, the structure of a preferred converter arrangement 38 for carrying out the method according to the invention. The transducer arrangement consists of an entire electrode 36, which is grounded and whose one surface 37 is used as a radiating surface, a piezoelectric layer 35 and electrode segments 31-34, the rear view of which is shown in FIG.
It emerges from the preceding explanation of the transducer arrangement 38 that the transducer elements according to the invention can have common parts, such as the piezoelectric layer 38 or the entire electrode 36. For the operation of the transducer arrangement 38 according to the invention it is sufficient that it has electrode segments on one side to which the time-shifted transmission signals can be applied and from which echo signals can be taken. Each electrode segment thus defines a transducer element according to the invention.
The effect achieved with the present invention, that is to say the achievement of a higher transverse resolution, is mainly achieved by a new mode of operation of the converter device. This will first be explained in more detail with reference to FIGS. 2, 4 and 5.
4 shows electrode segments 31-34 of a transducer group 21 according to the invention. In order to generate an ultrasound beam according to the invention, the transmission signals 41, 42 shown in FIG. 5, which are shifted in time relative to one another, are applied to the electrode segments 31-34, the transmission signals for the outer electrode segments 31, 34 lead the converter group in phase. A weakly focused ultrasound beam 23 (FIG. 2) is thereby generated.
In a preferred embodiment of the invention, not only the transmission signals but also the echo signals received with the individual transducer elements of the transducer group are shifted in time with respect to one another. The transducer group 21 shown in FIG. 4 transmits and receives with 4 elements, the transmit signals or the time-shifted echo signals of the outer elements leading by 900 in phase. According to the invention, this phase lead is defined with reference to a period (3600) of the high-frequency carrier signal (e.g. 2 MHz), which is expressed in pulses with a repetition frequency of e.g. B. 2 KHz and with a suitable phase angle is fed to the electrode segments of the successive converter groups.
The effect achieved with this operation of the converter group 21 according to the invention can be improved by the following additional measures:
1. It has proven to be beneficial to choose the following combinations of phase advance for the outer elements of the converter group:
Transmit signals Echo signals either approx. 900 approx. 450 or approx. 450 approx. 900
Due to these different values of the phase lead for the transmitted and echo signals, the radiation characteristic 23 according to the invention (FIG. 2) becomes even narrower over a certain depth.
2. It is advantageous to weight the transmitted or echo signals. As shown in FIG. 5, the inner electrode segments 32, 33 are excited with the transmission signal of the greater amplitude ao. Similarly, when receiving, the echo signals emitted by the inner electrode segments are multiplied by a greater weighting factor than the echo signals emitted by the outer elements. With this weighting, a ratio of 2: 1 has proven to be favorable both for the transmission signals and for the echo signals.
3. It is also advantageous to focus weakly in the Q direction in FIG. 1, e.g. B. by using a transducer arrangement with a slightly curved radiating surface 37 (see FIG. 6).
The weak focus in the Q direction can also be achieved electronically. For this purpose, a transducer arrangement as in FIG. 7 is used, in which each of the electrode segments is divided into 3 segment parts a, b and 3 in the Q direction. As can be seen from FIG. 7, only the hatched parts of the electrode segments are used for transmission or transmission.
used for reception. The inner segment parts 32b, 33b are excited with the transmission signal 41 and the remaining active segment parts with the transmission signal 42. This solution is electronically more complex than a converter device with a curved radiating surface, but only requires a converter arrangement with a flat radiating surface, which is cheaper.
In the known transducer device 11 according to FIG. 1, the ultrasonic beam 13 can be shifted by the width of a transducer element 12 after each transmission / reception period. However, the number of lines in the image and the resolution could be increased if the ultrasound beam were each shifted by less, e.g. B.
half an element width. This can of course be achieved by halving the element width. However, this solution leads to twice the number of elements and correspondingly greater complexity.
In a preferred embodiment of the present invention (FIGS. 8a, 8b and 8c) the displacement of the ultrasonic beam by half an element width is achieved in that successively selected transducer groups 71, 72, 73 alternately contain an even and an odd number of transducer elements , wherein the successive transducer groups are formed alternately by reducing the number of electrode segments in one direction and by increasing the number of electrode segments in the opposite direction. The amplitudes and phases of the transmission signals or the time-shifted echo signals are selected so that the shape of the ultrasound beam remains as constant as possible, regardless of the number of elements in the transducer group. The following combinations of amplitudes and phases result in e.g.
B. with the alternating use of 4 and 3 elements a very similar beam shape: With 4 elements:
EMI3.1
<tb> <SEP> Element <SEP> 31 <SEP> 32 <SEP> 33 <SEP> 34
<tb> <SEP> Amplitude <SEP> 0.5 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> <SEP> 0.5
<tb> Send <SEP> phase <SEP> <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP> 00 <SEP> 900
<tb> <SEP> Amplitude <SEP> 0.5 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0.5
<tb> Reception <SEP> phase <SEP> 450 <SEP> t <SEP> <SEP> 00 <SEP> 450
<tb> With 3 elements:
:
EMI3.2
<tb> <SEP> Element <SEP> 32 <SEP> 33 <SEP> 34
<tb> <SEP> f <SEP> Amplitude <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Send <SEP> Amplitude <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Phase <SEP> <SEP> Phase <SEP> <SEP> 450 <SEP> # 0 <SEP> <SEP> 450
<tb> (amplitude <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Reception <SEP> \ Phase <SEP> 22.50 <SEP> 00 <SEP> 22.50
<tb>
A second embodiment of the invention will first be described with reference to FIGS. 9a, 9b and 10. It is known (Swiss patent specification No. 543 313) that good focusing of the ultrasonic beam over a great depth is achieved by emitting an ultrasonic wave with a conical wave front. Such a wave front is z. B. emitted by a conical ultrasonic transducer.
According to the invention, a conical emission surface can be approximated by a linear increase in the phase angle <p with the distance of the transducer elements 92-98 from the transmission signals 101-104 in FIG. 9a for the time-shifted echo signals 202-208 (FIG. 16) Provides middle of the converter group. 10 shows this linear increase in the phase angle n. With the shape of the emitting surface 37 shown in FIG. 9b on the basis of a cross section, a linear increase in the phase angle of the emitted ultrasonic waves is also achieved in the Q direction.
The dashed line 107 in FIG. 9a represents the location of constant phase on the radiating surface of the transducer device, a phase being assumed for the sake of simplicity which changes continuously in the L direction and not step by step as in the present exemplary embodiment. While the location of constant phase in a conical wave front is a circle, straight sections 107 are involved here.
A better approximation of a conical wavefront can be achieved with the embodiment of the invention initially explained with reference to FIGS. 11a, 11b and 12.
In this embodiment, the phase dependency of the transmission signals or the time-shifted echo signals on the position of the corresponding transducer elements is quadratic in the center of the transducer group and linear at the edge.
A corresponding phase dependency in the Q direction is achieved with the shape of the emission surface 34 shown in FIG. 11b on the basis of a cross section of the transducer arrangement. The hyperbola is a preferred curve for line 37 in Figure 11b. Such a curve is circular in the middle area 127, but linear at the edge. The improvement achieved with this embodiment can be seen from the fact that the location of constant phase 106 shown in FIG. 11a has rounded corners.
It should be pointed out that the radiating converter groups of the exemplary embodiments according to FIGS. 9a and 11a have a larger area than in the exemplary embodiment according to FIG. A correspondingly larger opening is achieved through this larger area, which is necessary to achieve better resolution.
As in the other exemplary embodiments, it is also advantageous in the last-mentioned embodiments that the inner part of the transmitting transducer group transmits with a larger amplitude, or that the echo signals received are multiplied by a larger weight coefficient during reception. This improves the near field.
The dimensioning of the transducer groups 21 and the transducer elements 31-34 according to FIG. 4 for generating a weakly focused ultrasonic beam 23 according to FIG. 2 is first explained with reference to FIGS. 18 and 19.
It is characteristic of a good weakly focusing transducer group that its width w and length 1 are 15 to 30 wavelengths. The radius of curvature R (FIG. 19) of the wave front is selected to be approximately half the depth of the body to be examined, preferably somewhat smaller.
For a transducer group with 4 transducer elements, the width of the individual transducer elements is chosen so that the phase difference between the waves emitted by neighboring elements is not significantly more than 900. The more you exceed these values of the radius of curvature and the phase difference, the worse the beam shape and thus also the transverse resolution. A weak focusing within the meaning of the present invention can, however, at least in principle, be achieved with a value of the phase difference between 300 and 1800.
The dimensioning of the transducer elements will now be explained using a specific example (see FIGS. 18 and 19). As shown in FIG. 18, the two inner elements of the transducer group transmit with phase 0 and the two outer elements with phase 900. From FIG. 19 and the set of chords, d12 = 2R-A ... (1) where dz = the lateral displacement leading to the desired
Phase shift of 900 results, R = - the radius of curvature of the wavefront, and A = the distance that corresponds to a phase shift of 900.
EMI4.1
with A = the wavelength.
If one now chooses R = 80 mm (approximately half the depth of the examined body) and A = 0.75 mm (this wavelength corresponds to a frequency of 2 MHz) one obtains dl = 5.48 mm. If the element width is chosen to be 4 mm, the center of the outer element has the distance d2 = 6 mm from the center of the transducer group. This value of d2 corresponds approximately to the distance dl calculated above.
FIG. 13 shows the block diagram of an ultrasound imaging device according to the invention which uses converter groups with 7 converter elements each for sending and receiving, as shown in FIG. 11a. In the block diagram according to FIG. 13, 38 denotes the converter arrangement according to FIG. 3, 131 a clock generator, 132 a clock signal output by the clock generator 131, 133 a transmission signal generator, 134 transmission signals which are fed from the transmission signal generator 133 via lines 135 to element selection drive switches 138, 136 a Element counter and decoder connected to the clock 131 for controlling the element selection drive switches 138, 142 echo signals which are output by a transducer group, 143 an echo signal receiver, 144 the combined echo signal at the output of the echo signal receiver, 145 a time-sensitive amplifier, 146 a detector, 147 a Signal conditioner,
148 the output signal of the signal conditioner 147, 151 an X deflection generator, 154 a deflection signal output by this generator, 152 a Y step function generator, 155 a step function signal output by this generator and 156 a display oscilloscope with three inputs X, Y and Z.
The clock generator 131 generates periodic clock pulses 132 which trigger the transmission of an ultrasonic signal and the generation of the necessary synchronization signals. Four electrical transmission pulses 121-124 (see FIG. 14) are generated in the transmission signal generator 133. Three of these transmission signals 122, 123, 124 are in advance, corresponding to a phase of the carrier signal of + 300 + 1000 and + 1800 compared to a signal 121, the phase of which is denoted by 0. These transmission signals are given on the lines 134. In block 138 (element selection drive switch) these transmit signals are placed on seven supply lines on which the
Transmit signals have the phases + 1800, + 1000, + 300, 00, + 300, + 1000, + 1800.
The element counter and decoder
136 turns on the desired seven elements through the element select drive switches 138, for both transmission and reception. After each pulse, the configuration according to FIG. 11a is shifted by one element in the L direction. At the same time, the transmission signals with the different phases are cyclically exchanged on the supply lines so that each element receives the corresponding transmission signal with the correct phase. The echo signals 142 arrive at the echo signal receiver 143 from the seven switched-on elements.
There the signals are delayed differently and multiplied by different weighting factors and then added.
The output signal 144 of the echo signal receiver goes through the time-sensitive amplifier 145, which compensates for the attenuation of the body tissue. It is then rectified in the detector 146 and reaches the Z input of the display oscilloscope 156 via the signal processor 147. The signal processor 147 compresses the dynamic range of the signal emitted by the detector 146.
The X deflection generator 151 generates a voltage proportional to the time that has elapsed since the last pulse was sent. The Y-step function generator 152 generates a voltage which is proportional to the position of the central axis of the switched-on converter group.
The structure and the mode of operation of the transmission signal generator 133 will first be explained with reference to FIGS. 14 and 15. The clock pulse 132 triggers a pulsed high-frequency generator 161, the output signal 162 (pulsed carrier signal) of which is delayed in the tapped delay line 163 so that four signals with phases 00, 300, 100P and 1800 are obtained. These signals are multiplied by the corresponding weighting factors in weighting units 164¯167.
16 shows the echo signal receiver 143 in detail. The echo signals 142 are multiplied by the corresponding weighting factors in weighting units 171-177. They are then delayed with phase rotators 181-185 as shown and then added in an adder 186.
The principle of a preferred embodiment of the element selection drive shafts 138 in the device according to FIG. 13 is first explained with reference to FIG. For the sake of clarity, this principle is hereby explained for a converter group with only 4 elements, although the device according to FIG. 13 uses converter groups with 7 elements each. The circuit diagram shown in this figure allows a group of four transducer elements to be controlled and moved. The two inner elements of the group (e.g.
32 and 33 of group I) with the transmission signal 41 according to FIG.
5 and the two outer elements (for example 31 and 34 of group I) are controlled with the transmission signal 42 according to FIG. In Fig. 17 the transducer elements are represented by their respective electrode segments 31, 32, 33, and so on. The converter elements are cyclically connected to 4 supply lines 192-195 via a switch arrangement 191. These four supply lines are connected via a switch arrangement 196 to two supply lines 197, 198 on which the transmission signals 41, 42 with the amplitudes and phases shown in FIG. 5 are located. In Fig. 17 switch positions for two successive converter groups I (solid) and II (dashed) are shown. The control of the switch arrangement 191 does not require any explanation. To control a new group II, in the switch arrangement 196 each switch (e.g. 213) assumes the position that the upper switch (e.g.
212) to control the previous group I. The top switch 211 takes over the previous position of the bottom switch 214. The same switches can be used for sending and receiving if the electronic design of the switch arrangements is suitable.
If you want to need different electronic switches for sending and receiving, the circuit according to FIG. 17 can be implemented twice with separate supply lines for sending and receiving.
The advantages achieved with the present invention can be explained as follows:
With the method according to the invention it has become possible to achieve a higher transverse resolution, which enables the generation of clearer ultrasound images.
The device according to the invention also represents an economical solution, since it requires relatively little effort.
Due to the inventive weighting of the send or Echo signals, the secondary maxima of the radiation characteristic of the ultrasonic beam generated with a transducer group according to the invention are significantly reduced.
With the embodiment of the invention described above with reference to FIGS. 9a-12, ultrasound beam bundles are also generated which have approximately a conical wave front. As a result, the ultrasound beam bundle is concentrated over a great depth.
PATENT CLAIM 1
Method for generating cross-sectional images with an ultrasound imaging device working according to the inapulse echo method, which contains a transducer device which consists of a fixed elongated row of adjoining transducer elements and which has transverse electrode segments adjoining each other on at least one side, in which method successively cyclically selected groups of adjacent transducer elements of the transducer device serve to generate an ultrasound beam in response to pulse-like electrical transmission signals that are applied to the electrode segments, to transmit the ultrasound beam into a heterogeneous body, to pick up echoes that are reflected by a discontinuity in the body ,
and to generate an electrical echo signal in response to the received echoes, characterized in that for focusing the ultrasonic beam (23) generated by each transducer group (21) the transmitted signals (41, 42) applied to the electrode segments or segment subsets and / or from echo signals (142) emitted to the electrode segments or segment subgroups are shifted in time, each transmission or echo signal being assigned a time shift which is determined by a function of the distance of the corresponding electrode segment or segment subgroup from the center of the transducer group.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that with adjacent electrode segments or segment subgroups (33, 34) the transmission signal (42) for the segment or the segment subgroup or the time-shifted echo signal from the segment (34) or the segment subgroup, the / which has the greater distance from the center of the converter group, leads in phase.
2. The method according to claim I, characterized in that a weighting of the amplitude of the Sendebzw. the echo signals is made, each Sendebzw. Echo signal of an electrode segment or a segment subgroup is assigned a weighting factor which depends on the distance of the electrode segment or segment subgroup from the center of the transducer group.
3. The method according to claim I, characterized in that the time shift (groove) assigned to the transmitted and / or echo signals is symmetrical with respect to the center of the transducer group emitting in each case.
PATENT CLAIM II
Ultrasonic imaging device for performing the method according to claim 1, which device has a clock generator for generating a pulse-like electrical clock signal, a converter device consisting of a fixed elongated row of mutually adjacent converter elements, which converter device has transverse electrode segments that are adjacent to one another on at least one side, and which converter device is used to generate an ultrasound beam in response to pulse-like transmission signals derived from the electrical clock signal, to transmit the ultrasound beam in a heterogeneous body, to pick up echoes that are reflected from a discontinuity in the body, and to respond to an electrical echo signal generate the received echoes;
and an element counter selection device connected to the clock generator, the transducer device and a display device, which is used to cyclically select groups of adjacent transducer elements of the transducer device one after the other, to generate the ultrasonic beam, the transmission signals at the electrode segments of the selected groups to apply, and to transmit the echo signals generated with this group to the display device, which serves to convert the echo signals into a visible image which reproduces the cross-sectional structure of the heterogeneous body;
characterized by a transmission signal generator (133) which is connected between the clock generator (131) and the element counter selection device (136, 138) and which serves for the purpose of transmitting signals (121-124) for the electrode segments (121-124) which are shifted in time from the clock signal (132) emitted by the clock generator. 112-118) or segment subsets of the currently selected transducer group (111), and / or an echo signal receiver (143) connected between the element counter selection device and the display device (156), which serves to receive the echo signals emitted by the electrode segments or segment subsets of the transducer group (142) to shift in time against each other.
SUBCLAIMS
4. Apparatus according to patent claim II, characterized in that the phase angle (<p) of the transmission or the time-shifted echo signals is determined by a function of the distance of the corresponding electrode segment from the center of the transducer group so that adjacent Elek
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